[发明专利]一种基于精密机械加工的微型热电器件制作方法

说明书

技术领域

本发明属于功能材料的微加工和器件集成领域，具体涉及到一种基于精密机械加工的微型热电器件制作方法。

背景技术

热电器件是指可以直接实现电能与热能相互转换的一类电子元件，其核心是由多组不同载流子类型的热电材料串并联起来组成的热电模块。相比传统的内燃发电机和空气压缩制冷机，热电器件的主要优势是结构简单，没有移动部件(因此也无振动噪声)，以及易于小型化、微型化；劣势是在大功率应用时，能量转换效率相对较低。微型化的热电器件不仅在换能效率上占有相对的优势，而且可以在光电元件、电子芯片的散热，以及基于MEMS(microelectromechanical systems，微机电系统)技术的微型电源、微区精确控温和生物医学等方面获得新的应用。

热电器件的基本结构是由若干对具有正、负载流子的热电材料(P型、N型)串联组成的热电臂阵列。工作时的输出功率是P型、N型材料功率的总和。一般热电器件的制作步骤是先将块体热电材料切割成热电臂的形状，再按照P型、N型交错的方式排布成阵列。然而这种工艺方法在加工微型热电器件时遇到两个主要的困难：第一，热电材料通常强度较低，加工性能也较差，因此微型热电臂的尺寸下限和加工精度都受到了限制；第二，即使加工出了微型的热电臂，将其规则地排列起来也需要较高的工艺和人力成本。而本发明可以较好的解决这些问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于精密机械加工的微型热电器件制作方法，其主要特点是通过切割-插嵌复合-再切割的方式同步实现热电臂的加工和阵列的排布，节省了工艺和人力成本。同时，由于第二次切割时热电薄片受到了环氧树脂的支撑和保护，因此热电臂可以获得更高的微细化程度和加工精度。

一种基于精密机械加工的微型热电器件制作方法，该方法包括如下步骤：

(1)先利用精密切割法分别在P型、N型薄片状热电块体材料表面上加工出一系列平行凹槽，然后在环氧树脂的润滑下使P型和N型薄片插嵌复合，并进行固化处理，得到复合薄片；

(2)将复合薄片的其中一个表面抛光，然后在此表面上，沿与步骤(1)切割方向垂直的方向切割出一系列平行凹槽，并填入环氧树脂，固化后形成微型热电臂阵列；

(3)制作串联连接热电臂阵列的电极，并封装成微型热电器件。

所述的P型和N型薄片状热电块体材料的厚度为1～2毫米。

步骤(1)和(2)中采用相同的环氧树脂，环氧树脂的环氧值为35～45。

步骤(1)中凹槽的深度为0.3～1毫米，宽度为50～200微米，相互间隔距离为凹槽宽度的80％～90％。

步骤(2)抛光时一般要将复合薄片抛光至露出P型和N型的插嵌复合部分。

步骤(2)中凹槽的深度为0.3～0.8毫米，宽度为50～500微米，间隔为50～500微米。

步骤(1)和步骤(2)中，固化时间为24小时以上。

步骤(3)中电极的制作包括如下步骤：将热电臂阵列的一个表面抛光，然后利用紫外光刻的方法在此表面上制作出光刻胶的掩模，再利用等离子刻蚀的方法刻蚀掩模中露出的部分，随后利用磁控溅射的方法制作出此表面上的电极；利用同样的方法制作热电臂阵列另一面的电极。

电极为镍-铜复合薄膜，其中，镍在底层(贴近热电臂)，厚度为0.1～0.5微米；铜在表层，厚度为3～10微米；电极的形状为正方形，边长等于步骤(1)中切割的凹槽相互之间的间隔。

本制作方法中树脂复合步骤起了关键的作用。首先，在切割过程中，树脂对热电臂起了定位和提高强度的作用：这使得热电臂的切割和数组排布可以一次同时完成，而且在步骤(2)切割时由于树脂的填充和粘接作用，容易切出完好的高纵横比热电臂。其次，在器件使用中，由于树脂是电和热的良好绝缘体(约为热电材料的1/6)，因此树脂的存在基本不会影响器件的能量转换功率和效率，反而可能提高器件的整体柔韧度和可靠性。

本发明的有益效果为：通过切割-插嵌复合-再切割的方式同步实现热电臂的加工和阵列的排布，操作简便，节省了工艺和人力成本；由于切割时热电薄片受到了环氧树脂的支撑和保护，因此热电臂可以获得更高的微细化程度和加工精度，可以将热电臂截面的微型化程度达到100微米以下，加工精度误差达到10微米以下，热电臂的纵横比达到3以上，器件的最高集成度达到每平方厘米10000个热电臂以上。

附图说明